李雪峰

（山西陵川崇安關(guān)嶺山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

山西陵川崇安關(guān)嶺山煤業(yè)有限公司3號(hào)煤層厚度4.35～4.65 m，平均4.51 m，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，3號(hào)煤層舊采采用“巷柱式”采煤法，寬度2～3 m，部分空巷擴(kuò)幫后寬度達(dá)到8～10 m。由于殘采區(qū)內(nèi)圍巖破碎、整體承載強(qiáng)度和穩(wěn)定性大大下降，復(fù)采時(shí)礦壓分布極不規(guī)律，易發(fā)生嚴(yán)重頂板事故和強(qiáng)礦壓災(zāi)害。

目前，針對殘采煤炭資源巷道的支護(hù)也已進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，劉暢[1]等人對復(fù)采工作面過空巷頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。張小強(qiáng)[2]、許孟和[3]等人通過相似模擬實(shí)驗(yàn)研究空巷寬度、冒落空間幾何尺寸以及交互角度對回采巷道的影響。徐忠和[4]等人基于現(xiàn)場實(shí)測探究了復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。謝文武[5]等人結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬研究探究了復(fù)采工作面過空巷時(shí)圍巖變形規(guī)律。蔡為益[6]等人通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測研究表明，復(fù)采工作面來壓存在明顯的步距差。楊錄錄[7]基于現(xiàn)場分析給出了復(fù)采工作面回風(fēng)巷的支護(hù)方案。武建軍[8]基于理論分析給出了小窯破壞區(qū)相應(yīng)回采巷道的支護(hù)參數(shù)。

雖然，針對復(fù)采區(qū)回采巷道支護(hù)已有部分學(xué)者進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，但該礦復(fù)采工作面采用無煤柱護(hù)巷支護(hù)，采用無煤柱護(hù)巷后圍巖應(yīng)力條件發(fā)生了顯著改變，這與以往的研究顯著不同。基于此，以3號(hào)煤回采巷道支護(hù)方式與技術(shù)參數(shù)為設(shè)計(jì)對象，結(jié)合3號(hào)煤巷道處于殘采區(qū)地質(zhì)情況，通過現(xiàn)場調(diào)研、現(xiàn)場鉆孔窺視，對3號(hào)煤復(fù)采工作面回采巷道合理支護(hù)方案與技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究。

1 復(fù)采區(qū)地質(zhì)條件概況

1.1 復(fù)采區(qū)概況及頂?shù)装鍑鷰r情況

筆者研究的3號(hào)煤層回采巷道位于301采區(qū)軌道巷西側(cè)，工作面順槽沿東西方向布置，其中工作面運(yùn)輸順槽垂直于301采區(qū)膠帶輸送機(jī)巷，工作面回風(fēng)順槽垂直于301采區(qū)回風(fēng)巷。

首采工作面為30102工作面，其位于3號(hào)煤一采區(qū)西翼的中南部，南部30101工作面，在15206工作面回采之后蹬空，工作面由30102工作面向北接替。30102首采工作面巷道布置方式見圖1。

圖1 3號(hào)煤巷道及工作面布置方式

3號(hào)煤屬于殘采區(qū)，巷道除了布置在實(shí)體煤中，在掘進(jìn)過程中遇到寬度不一且分布不均的空巷、老頂冒落區(qū)、煤柱，巷道目前采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，局部區(qū)域配合使用工字鋼棚、砌墻等加強(qiáng)支護(hù)方式。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及窺視情況，3號(hào)煤直接頂為泥巖，厚度為1.8 m左右，泥巖之上為完整性較好的砂巖和砂質(zhì)泥巖，除局部較破碎裂隙發(fā)育之外，整體完整性較好，詳見圖2。

圖2 頂板窺視孔巖層結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果

1.2 3號(hào)煤現(xiàn)場調(diào)研及空巷情況

目前已揭露的情況分析，3號(hào)煤殘采區(qū)煤層賦存情況大體可分為4種：①殘留煤柱；②煤層底部為空巷，空巷內(nèi)頂煤未垮落；③煤層底部為空巷，空巷內(nèi)頂煤垮落且直接頂完整；④煤層底部為空巷，空巷內(nèi)頂煤垮落、直接頂泥巖局部垮落，如圖3所示。

2 3號(hào)煤層回采巷道基本情況

結(jié)合礦方實(shí)際掘進(jìn)情況，3號(hào)煤層復(fù)采區(qū)域內(nèi)，可采區(qū)域內(nèi)存在若干寬度不一且分布不規(guī)律的空巷和殘留煤柱，這導(dǎo)致巷道圍巖的應(yīng)力不同于正常情況，尤其是采用沿空掘巷開采技術(shù)后，巷道掘進(jìn)及工作面回采可能遇到圍巖壓力大、圍巖破碎、巷道變形量大等問題。目前，煤層順槽沿煤層底板掘進(jìn)，其中，運(yùn)輸順槽上部凈寬3 770 mm，下部凈寬4 550 mm，凈高2 600 mm；回風(fēng)順槽巷道上部凈寬2 820 mm，下部凈寬3 600 mm，凈高2 600 mm。

2.1 復(fù)采區(qū)工字鋼棚支護(hù)技術(shù)研究

梯形支架視支架本身為支護(hù)體，圍巖為載荷，頂梁符合工程力學(xué)中的簡支梁條件，其受力狀況屬于均布載荷類型。應(yīng)用受均布載荷的簡支梁進(jìn)行受力狀況分析計(jì)算。棚式支架頂梁的破壞機(jī)理是由于支架上彎曲力矩達(dá)到極限后，產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致頂梁變形、破壞而失去承載力。

2.1.1 砌墻替換前頂梁受到的壓力計(jì)算

根據(jù)礦井實(shí)際巷道支護(hù)情況，運(yùn)輸順槽頂部毛寬4.25 m，由于運(yùn)輸順槽巷道斷面較大，目前采用12號(hào)礦用工字鋼+單體柱（間隔架設(shè)）的聯(lián)合支護(hù)方式。雖然頂梁工字鋼長度為4.25 m，但對于巷道頂梁工字鋼增設(shè)單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，形成了2個(gè)長度分別為1.81、2.44 m的簡支梁結(jié)構(gòu)。由此可見，對于無單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，頂梁長度為4.25 m；對于有單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，頂梁長度為1.81、2.44 m。

當(dāng)采用工字鋼棚支護(hù)時(shí)，工字鋼棚頂梁跨長分別為4.25、2.44、1.81 m，材質(zhì)為Q275的礦用12號(hào)工字鋼，其屈服極限為σs=275 MPa，抗拉強(qiáng)度為σb=490～610 MPa，查表得12號(hào)工字鋼抗彎截面模量Wx=144.5 cm3=144.5×10-6m4。

代入求得工字鋼的使用載荷為：

上式計(jì)算結(jié)果說明，1根即1架跨長為4.25、2.44、1.81 m的12號(hào)工字鋼頂梁，達(dá)到屈服極限時(shí)，其所受均布載荷分別約為17.6、53.40、97.04 kN/m，整架棚的使用載荷分別為QS=74.8 kN；QS=130.30 kN；QS=175.64 kN。

同理，將抗拉強(qiáng)度為σb=490 MPa（490～610，取最小值）代入求得破壞時(shí)的均布載荷分別為31.36、95.14、172.90 kN/m，整架棚的破壞載荷分別為QB=133.28、232.15、312.95 kN。

2.1.2 砌墻替換后頂梁受到的壓力計(jì)算

由于采用沿空掘巷技術(shù)開采3號(hào)煤層，運(yùn)輸順槽掘進(jìn)后、工作面回采前，采用柔模混凝土（寬度0.8 m）將巷道非工作面幫鋼腿替換，替換后巷道上部毛寬3.45 m。柔?；炷撂鎿Q非工作面幫鋼腿后，運(yùn)輸順槽的支護(hù)方式為工字鋼+柔?；炷?單體柱（間隔架設(shè)）。對于無單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，頂梁長度為3.45 m；對于有單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，頂梁長度為1.81、1.64 m。

1）當(dāng)頂梁長度為1.81 m時(shí)，工字鋼棚的使用載荷及破壞載荷分別為：

QS=175.64 kN、QB=312.95 kN。

當(dāng)頂梁長度為3.45、1.64 m時(shí)，工字鋼的使用載荷為：

整架棚的使用載荷分別為QS=92.15 kN；QS=193.85 kN。

同理，將抗拉強(qiáng)度為σb=490 MPa（490～610，取最小值）代入求得破壞時(shí)的均布載荷分別為47.59、210.60 kN/m，整架棚的破壞載荷分別為QB=16①當(dāng)頂梁長度為4.25 m時(shí)，采用跨長4.25 m的12號(hào)工字鋼支護(hù)，計(jì)算得該礦的最小工字鋼使用載荷為225.67 kN/m。此時(shí)，當(dāng)棚距為0.5 m時(shí)，安全系數(shù)為n=74.8/（225.67×0.5）=0.66，不滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求；②當(dāng)棚距為0.3 m時(shí)，安全系數(shù)為n=74.8/（225.67×0.3）=1.10，滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求。

2）當(dāng)頂梁長度為3.45 m時(shí)，采用跨長3.45 m的12號(hào)工字鋼支護(hù)，計(jì)算得該礦的最小工字鋼使用載荷為167.93 kN/m。此時(shí)，當(dāng)棚距為0.5 m時(shí)，安全系數(shù)為n=92.15/（167.93×0.5）=1.09，滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求。

3）當(dāng)頂梁長度為2.44 m時(shí)，采用跨長2.44 m的12號(hào)工字鋼支護(hù)，計(jì)算得該礦的最小工字鋼使用載荷為130.3 kN/m。此時(shí)，當(dāng)棚距為0.9 m時(shí)，安全系數(shù)為n=130.3/（105.13×0.9）=1.37，滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求。

4）當(dāng)頂梁長度為1.81 m時(shí)，采用跨長1.81 m的12號(hào)工字鋼支護(hù)，計(jì)算得該礦的最小工字鋼使用載荷為175.64 kN/m。此時(shí)，當(dāng)棚距為0.9 m時(shí)，安全系數(shù)為n=175.64/（71.68×0.9）=2.72，滿足支護(hù)強(qiáng)度需求。

5）當(dāng)頂梁長度為1.64 m時(shí)，采用跨長1.64 m的12號(hào)工字鋼支護(hù)，計(jì)算得該礦的最小工字鋼使用載荷為193.85 kN/m。此時(shí)，當(dāng)棚距為0.9 m時(shí)，安全系數(shù)為n=193.85/（63.41×0.9）=3.39，滿足支護(hù)強(qiáng)度需求。

3號(hào)煤運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)采用梯形斷面，巷道頂部毛寬為4.25 m，結(jié)合礦方實(shí)際支護(hù)情況，目前，礦方采用12號(hào)礦用工字鋼+單體柱（間隔架設(shè)）的支護(hù)方式，此外，采用沿空掘巷開采技術(shù)，工作面回采前，在運(yùn)輸順槽內(nèi)砌筑柔模混凝土墻。由于砌筑柔模混凝土墻后，有效降低了工字鋼簡支頂梁跨度，但從安全角度考慮，選擇支護(hù)強(qiáng)度時(shí)應(yīng)考慮頂梁跨度極限情況。砌墻前，對于未采用單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，工字鋼頂梁長度為4.25 m；對于采用單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，工字鋼簡支頂梁最大長度為2.44 m?；谏鲜鲇?jì)算結(jié)果可知，對于頂梁長度分別為4.25、2.44 m時(shí)，當(dāng)工字鋼棚棚距為1.0m時(shí)，每架棚承受理論壓力分別為225.67、105.13 kN。同時(shí)，采用跨長4.25、2.44 m的12號(hào)工字鋼支護(hù)，計(jì)算得的最小工字鋼使用載荷為74.8、130.3 kN/m。

由于采用單體柱間隔補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，因此將4.25、2.44 m的工字鋼梁看成一個(gè)組合結(jié)構(gòu)，對于組合結(jié)構(gòu)頂梁而言，2.0 m范圍內(nèi)巖體作用在組合頂梁上的壓力為：330.8 kN，此時(shí)，當(dāng)棚距為0.6 m時(shí)，安全系數(shù)為n=（74.8+130.3）/（330.8×0.6）=1.03，滿足支護(hù)強(qiáng)度需求。4.19kN、QB=345.38 kN。

結(jié)合礦井井下實(shí)際揭露情況和目前的支護(hù)現(xiàn)狀，通過采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬相結(jié)合方法，得出了礦井南部復(fù)采區(qū)3號(hào)煤層綜放工作面順槽及切眼的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)支護(hù)方案如下：

1）層位：沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)。斷面形式：梯形。

2）凈斷面尺寸：寬×高=3 770/4 550×2 600 mm，叉角390 mm（砌墻前）。

寬×高=3 210/3 600×2 600 mm，工作面幫叉角390 mm，非工作面幫垂直于巷道底板（砌墻后）。

3）基本支護(hù)方式：工字鋼+金屬網(wǎng)+單體柱（砌墻前）。

4）工字鋼+金屬網(wǎng)+單體柱+柔模混凝土墻（砌墻后）。

5）表面封閉方式：無。

6）工字鋼型號(hào)及棚距：12號(hào)礦用工字鋼，架棚支護(hù)棚距800 mm±50 mm（中至中）。

支護(hù)方案詳見圖4所示。

圖4 工作面運(yùn)輸順槽位于實(shí)體煤時(shí)（砌墻前后）基本支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)

3 結(jié)論

1）基于自然平衡拱理論計(jì)算，求解計(jì)算了3號(hào)煤復(fù)采工作面運(yùn)輸順槽位于實(shí)體煤條件下12號(hào)礦用工字鋼棚支護(hù)的安全棚距。

2）基于理論分析確定了3號(hào)煤回采巷道具體的支護(hù)方式與支護(hù)技術(shù)參數(shù)。

3）根據(jù)目前已揭露情況和調(diào)研結(jié)果，3號(hào)煤殘采區(qū)煤層及頂?shù)装遒x存情況有4種：①實(shí)體煤；②空巷內(nèi)頂煤未冒落；③空巷內(nèi)頂煤冒落且直接頂完好；④空巷內(nèi)頂煤冒落且直接頂局部垮落（矸石之上空頂1.5～2 m）。